가스터빈
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1. 개요
Gas turbine. 압축터빈으로 공기를 압축하여 연소실에서 연료와 함께 연소, 폭발시켜 나온 에너지를, 터빈을 통해 운동에너지로 전환하여 동력을 발생시키는 열기관. 개념이 신축적이다.
증기터빈이 1884년에 발명되어 이미 제1차 세계 대전 이전에 여객선의 기관으로 채택되어 있던 것과 달리 가스터빈의 발명은 시기가 꽤 늦었다. 1944년 중반에 독일은 5호 전차 판터에 항공기용 제트엔진으로 만든 가스터빈 엔진을 장착하는 테스트를 했었고[1], 터보샤프트 엔진을 사용한 헬리콥터에의 탑재는 1948년 프랑스의 엔진 제작사 터보메카에서 시도되었다.
2. 종류
2.1. 외연 기관 가스 터빈
외연기관 가스터빈은 연료의 연소열로 가스를 가열하여 얻은 고온 고압의 가스를 터빈 블레이드로 분사하여 동력을 얻는 방식으로, 원리는 증기터빈과 같으나, 열 전달매체가 물이 아닌 가스란 점과, 압축 단계에 펌프를 통한 액체 압축이 아닌 압축기를 통한 기체 압축이란 점이 다르다. 이러한 유형의 가스터빈은 다시 폐회로 가스터빈과 개회로 가스터빈으로 나눈다.
이러한 외연기관형 가스터빈은, 분탄(석탄 분진)이나 바이오매스같이 내연기관에서 연소가 불가능한 연료인 경우, 또는 원자력 등 연소생성물이 터빈에 직접 닿아선 곤란할 경우 사용된다. 설비가 크고 복잡하므로 차량용으로는 적합하지 않으며, 주로 발전용으로 쓴다.
- 개회로 가스터빈 - 외부에서 흡입한 공기를 열에너지의 매체로 사용하며, 가열되어 터빈을 구동한 공기는 대기중의 저열부로 배출된다.
- 폐회로 가스터빈 - 터빈을 구동한 가스가 열교환기를 거쳐 열을 배출한 뒤, 저온 상태에서 다시 압축기로 공급된다.
2.2. 내연 기관 가스 터빈
내연 기관 가스 터빈은 축류 또는 원심식 압축기를 통해 들어온 압축 공기를 연소실에서 연료와 연소시킨 후, 분사되는 고온 고압의 연소가스가 터빈을 통과하며 압축기를 구동함과 동시에 실 동력을 얻는 기관이다. 이는 일반적인 왕복동 엔진의 흡입-압축-폭발-배기 사이클을 선형으로 배열한 것과 같다. 왕복동 엔진이 4개의 사이클을 반복하기 위해 왕복운동을 하며, 각 사이클의 상사점과 하사점에서 피스톤이 반드시 정지해야 하는 것과는 달리, 가스터빈은 오직 가스의 선형적인 운동과 터빈 및 압축기의 회전운동만으로 이루어져 있으므로 진동이 적음과 동시에 높은 RPM을 얻는 데 매우 유리하다.
- 터보제트 - 압축기-연소실-배기터빈의 구조로 이루어진 가장 단순한 가스터빈. 구조가 간단하고 제작효율 및 신뢰성이 높으나, 연비가 나빠서 상업용, 군용 항공기에서는 도태되었고, 제작 단가가 싸기 때문에 일회용품인 순항 미사일 등에 주로 쓰고 있다. 터보제트엔진에서 터빈은 그저 압축기를 돌릴 뿐이며, 터보제트 엔진의 실제 동력은 분사 가스의 반동력 뿐이다. 따라서 엄밀한 의미론 가스터빈이 아니지만, 구조 및 작동원리가 가스터빈과 유사하므로 광의의 가스터빈에 포함한다.
- 터보팬 - 터보제트 엔진 코어에 추가로 터빈을 장착하여 여기에서 나온 동력으로 팬을 구동하는 엔진. 팬을 통과한 공기는 압축기와 연소실을 거치지 않고 터보제트 코어 주변을 그대로 우회(bypass) 통과하여 후방으로 분사되어 추력을 낸다. 따라서 바이패스제트(bypass jet)라고도 하며, 최고속도는 터보제트에 비해 불리하나 큰 추력을 얻을 수 있고 경제성이 뛰어나서 현대의 제트기용 엔진으로 가장 널리 쓰이고 있다.
- 터보프롭 - 가스터빈의 동력을 내부 축을 통해 전방으로 전달하여 프로펠러를 구동한다. 시속 400~600km 대의 중고속에서 효율이 뛰어난 엔진이다.
- 터보샤프트 - 원리상 터보프롭과 비슷하나, 배기 터빈이 엔진 코어를 통과하하지 않고 후방의 감속기어로 연결되어 동력을 끌어낸다. 고속이 필요하지 않은 헬리콥터, 선박 등의 추진기관 및 화력발전용으로 널리 쓰인다. 좁은 의미로 가스터빈[2]이라고 하면 보통 이것을 의미한다.
3. 다른 방식의 추진장치와의 비교
3.1. VS 디젤엔진
- 왕복 운동을 회전 운동으로 바꿀 필요가 없어 진동이 적다.
- 열 효율은 28~33% 정도로, 디젤엔진이 40~50% 정도인 데에 비해서는 낮다. 따라서 연비는 디젤 엔진보다 떨어진다.
- 디젤 엔진에 비해 기관에 가해지는 압력 및 온도가 낮다.
- 고속 운전과 급가속에 유리하다.
- 최대 출력이 일반적으로 디젤엔진에 비해 훨씬 크고, 출력을 증강하는 것도 보다 용이하다.
- 기관 자체의 소형화가 가능하다. 에이브람스가 가스터빈을 채택한 이유중 하나가 파워팩이 차지하는 공간을 줄여 남는 공간에 장갑을 할당하기 위함이였다.
- 디젤엔진은 거릉거릉 거리는 저주파 소음을 내는데, 그 소음이 먼거리까지 퍼진다. 따라서 군용으로 사용되었을 때 저주파의 특성상 소음을 차폐하거나 감쇄시키는 것이 기술적으로 어려워서 소음 피탐지 문제가 크지만, 가스 터빈은 위이이잉~ 하는 고주파 소음이기 때문에 상대적으로 장거리에서 감쇄율이 크고 소음을 감쇄시키기도 보다 용이해서 소음 피탐지 문제에서 좀더 유리하다. 다만 배기 분사구 근거리에서는 훨씬 시끄럽다(...).
3.2. VS 증기터빈
- 내연 기관이기 때문에 증기터빈에 필요한 보일러, 원자로 등 추가열원이 필요없다.
- 작동압력에 도달하기 위해 물을 펌프로 압송하는 증기 터빈과 달리, 기체상태의 작동 유체를 압축기로 압축한다. 기체의 비체적이 액체보다 압도적으로 크기 때문에 압축기의 소요 동력이 크고, 그만큼 출력 동력이 떨어져서 효율에 손해를 본다.
- 증기 터빈의 열효율인 35~40%에 비해 열효율이 낮다.
- 증기 터빈에 비해 기관에 가해지는 압력 및 온도가 높다.
- 연소실에서 공기를 단순히 가열하는 것이므로, 물의 상변화 과정이 필요한 증기 터빈보다 기동 소요 시간이 적게 걸린다.